코로나

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1999년 프랑스 일식때의 사진

천문학에서의 코로나는 태양이나 다른 천구체의 빛나는 플라스마 대기이다. 우주공간으로 수백만 킬로미터 뻗어나가며, 완전 일식때 쉽게 관측할 수 있으며, 또한 코로나그래프로도 관측할 수 있다.

코로나의 흥미로운 면은 태양의 "표면"보다 거의 200배 정도 더 뜨겁다는 사실이다. 광구의 평균 온도는 5,800 K 이며, 코로나의 평균 온도는 100만-300만 K 이다. 하지만 코로나는 광구에 비해 10⁻¹²정도로 밀도가 낮으므로, 광구에 비해 100만분의 1 정도의 빛만을 만들어낸다. 코로나는 상대적으로 얕은 채층에 의해 광구로부터 분리된다. 코로나가 가열되는 정확한 원리는 아직 논쟁거리이지만, 태양의 자기장과 아래로부터의 음압에 의해 야기된다는 설이 유력해 보인다. 하지만, 후자는 초기 항성에서도 코로나가 존재한다는 사실로 인해 약간 의문시되기도 한다. 태양 코로나의 바깥 끝부분은 태양풍에 의해 지속적으로 손실된다.

코로나는 태양 표면을 통틀어 고르게 분포되어 있지 않다. 태양이 고요한 기간에는, 코로나는 적도 영역에 한정되어 있으며, 극 지방에는 "코로나구멍"이 존재한다. 하지만, 태양이 활동하는 동안에는 코로나는 적도와 극 지방에 고루 분포하며, 흑점이 생기는 영역에서 더욱 두드러진다.

태양플레어나 거대한 태양홍염에 의해 때때로 "코로나변란"이 생겨난다. 이는 태양 바깥쪽으로 시간당 백만 km 이상 뻗어나오는 거대한 코로나 매질의 루프이다. 이는 그 자체를 유발하는 태양플레어나 홍염에 비해 대략 10배 정도의 에너지를 지니고 있다.

태양 외의 별도 코로나를 지니고 있으며, 이는 X선 망원경을 이용해서 관측할 수 있다. 일부 항성 코로나, 특히 젊은 별에서의 코로나는 태양의 코로나에 비해 월등히 밝다.

코로나의 높은 온도는 비정상적인 분광학적 특성을 나타내며, 이는 19세기 미지의 원소 "코로늄"이 존재할 것이라는 추측을 있게 하였다. 하지만, 이러한 분광 특성은 이미 알려진 원소가 매우 높은 이온화 상태에서 나타내는 것임이 밝혀졌다.

[편집] 코로나 가열 문제

코로나 가열 문제는 천문학과 천문물리학에서 태양 코로나의 온도가 태양 표면의 온도에 비해 수백만 K이 더 높은 이유가 무엇인가 하는 문제이다. 5800 K 정도의 태양 광구나 표면으로부터, 훨씬 더 뜨거운 즉 100만 - 300만 K의(일부 영역은 1,000만 K에 이르기도 한다) 코로나로 직접적으로 열이 전달 되는 것은 열역학 제2법칙에 위배된다. 즉, 태양 내부로부터 코로나로 에너지가 전달되기 위해서는 비-열적 과정이 필요하다. 태양코로나를 가열시키기에 필요한 에너지의 양은 쉽게 계산된다. 태양 표면의 1 제곱미터당 1 kW 다시 말해 태양으로부터 방출되는 빛 에너지의 40,000분의 1 정도이다.

코로나가 왜 뜨거운지를 설명기 위해 "파 가열"과 "자기 재결합"의 서로 다른 두 개의 이론이 등장하였다. 하지만 지난 50년간, 두 이론 모두 코로나 가열을 설명하지는 못하였다. 현재, 대다수의 태양 물리학자들은 이 두 이론의 조합이 비록 불완전하나마 코로나 가열을 설명할 수 있을 것으로 믿고 있다. 1949년 Evry Schatzman에 의해 제안된 파 가열 이론은 파가 태양 내부서 태양 채층이나 코로나로 에너지를 전달한다고 설명한다. 태양은 일반적인 가스가 아닌 플라스마로 이루어져 있으며 이는 공기에서의 음파처럼 여러 종류의 파를 전달한다. 가장 중요한 파는 자기-음파파와 알페인파이다. 자기-음파파는 자기장에 의해 변형된 음파이며, 알페인파는 플라스마 내부의 매질과의 상호작용에 의해 변형된 ULF 라디오파와 유사한 파이다. 두 파 모두 태양 광구의 쌀알조직이나 초대형 쌀알조직의 난류에 의해 발생할 수 있으며, 두 파 모두 충격파로 변해서 에너지를 열로 소모하기 전에 태양 대기를 통과해 일정 거리 너머로 에너지를 전달할 수 있다.

파 가열에 있어서 하나의 문제는 열을 적당한 장소에 전달하는 것이다. 자기-음파파는 채층을 통과해 코로나로 충분한 에너지를 전달하지 못하는데, 채층에서의 낮은 압력때문이기도 하며, 광구로 반사되는 특성때문이기도 하다. 알페인파는 충분한 에너지를 전달할 수는 있지만, 코로나에 들어서자마자 급격히 에너지를 소모해버린다. 플라스마 내부에서의 파는 이해하고 분석적으로 묘사하기가 악명높게 어렵다. 하지만, 2003년 Thomas Bogdan등은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 코로나의 밑바닥에서 알페인파가 다른 형태의 파로 변할 수 있다는 것과, 이러한 파형의 변동은 광구로부터 충분히 많은 에너지를 코로나로 전달하고, 코로나에서 열로 변할 수 있다는 것을 보여주었다.

파 가열에서의 다른 문제는 1990년대 후반까지도 파가 태양 코로나를 통해 전달될 수 있다는 어떠한 직접적인 증거도 없었다는 것이다. 파가 태양 코로나를 통해 전달된다는 최초의 관측은 1997년 소호 태양 관측 위성을 통해 이루어졌다. 이 소호 위성은 태양을 극자외선의 영역에서 안정된 측광으로 오랜 시간 관측할 수 있는 최초의 시스템이었다. 약 1 헤르츠의 자기-음파파가 관측되었는데, 이는 코로나를 가열하기에 충분한 에너지의 10%정도만 전달할 수 있다. 또한 알페인파와 같은 파가 태양플레어에 의해 국지적으로 생겨나 존재한다는 것이 많이 관측되었는데, 이는 불규칙적이며, 균일한 코로나 온도를 설명하기에는 부족하다.

얼마나 많은 파 에너지가 코로나를 가열하는 것이 가능한지 아직은 알려지지 않았다. 2004년 TRACE 위성에서 얻은 결과에 따르면, 태양 대기에는 100 mHz정도의 파가 존재한다는 것이다. 소호 태양 관측 위성의 UVCS 기기를 이용한 태양풍 속의 이온의 온도 측정은 200 Hz 정도의 높은 주파수를 지니는 파가 있다는 간접 증거를 제시한다. 이는 인간의 가청 주파수 범위이다. 이러한 파는 일반적인 환경에서는 판독하기 매우 힘들지만, 윌리엄스 대학 연구진들에 의한 일식시의 연구에 따르면 1-10 Hz의 파도 존재할 가능성이 있다고 한다.

자기 재결합 이론은 태양 자기장이 태양 코로나 속에서 전류를 유도한다는 것이다. 이렇게 유도된 전류는 갑작스럽게 사라지며, 전기 에너지는 코로나의 열 및 파 에너지로 전환된다. 이러한 과정은 "재결합"으로 불리는데, 이는 플라스마 (혹은 전도성이 있는 유체, 예를 들어 수은이나 해수)속에서의 자기장의 고유한 특징 때문이다. 플라스마 내부에서, 자기력선은 일반적으로 각각의 매질에 이어져 있으며, 이른바 자기장의 위상은 동일하게 유지된다. 예를 들어, 특정한 북과 남의 자기극이 하나의 자기력선에 의해 연결되어 있다면, 심지어 플라스마가 움직이거나, 혹은 자석을 주변에 갖다 댄다고 하더라도, 그 자기력선은 여전히 두 개의 자기극을 잇고 있을 것이다. 이러한 연결은 플라스마 내부에 유도되는 전류에 의해 유지된다. 특정한 상황에서는 전류가 사라지며, 자기장이 다른 자기극과 "재결합"하며, 이러한 과정에서 열과 에너지를 방출한다는 것이다.

자기 재결합은 태양계에서 가장 큰 폭발인 태양플레어의 발생 이유로 알려져 있다. 또한, 태양의 표면은 문자그대로 수 없이 많은 50-1,000km 단위의 작은 자기장 영역으로 구성되어 있다. 이러한 작은 자기극은 일정한 쌀알조직에 의해서 동요한다. 태양 코로나의 자기장은 이러한 "자기 카펫"의 움직임에 발맞추기 위해 꾸준히 재결합을 해야한다. 이는 일련의 "마이크로 플레어"를 유도하는데, 각각은 매우 작은 에너지를 가지지만, 전체로 보면 충분한 에너지를 제공할 것이라는 것이며, 결과적으로 재결합에 의해 발생하는 에너지는 코로나 가열의 원인이라는 것이다.

마이크로 플레어가 코로나를 가열할 것이라는 생각은 1980년대 유진 파커에 의해 제기되었지만, 여전히 논쟁의 대상이다. 특히, TRACE 위성과 소호 태양 관측 위성의 자외선 망원경은 각각의 마이크로 플레어를 극자외선 영역에서 관측할 수 있지만, 관측 결과는 코로나를 가열하기에 너무 부족한 개수라는 것이다. 부족한 에너지는 파 에너지나, 혹은 서서히 발생하는 자기 재결합에 의해서 보충될 수 있다고 한다. 이러한 서서히 발생하는 자기 재결합은 일반적인 마이크로 플레어에 비해 훨씬 부드럽게 에너지를 방출해서, TRACE 등에서 잘 관측되지 않는다는 것이다. 마이크로 플레어에 기반한 여러 가설은 자기장을 강조하기 위해서나, 혹은 에너지 방출을 설명하기 위해 여러 방법을 사용하며, 현재 주요한 연구 과제이다.